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《中国地震局地震预测研究所》 2016年
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基于SVD方法地震电离层异常特征研究

钱庚  
【摘要】:灾难性大地震的频繁发生说明地震是人类面临具有严重危害的自然灾害,但地震预测仍是当今世界性难题。长期以来,各学科专家对于地震预报研究投入了巨大的精力,给予极大的关注。自20世纪中期以来,各领域针对灾难性地震预报问题开展了多方面的大量研究,特别是20世纪70、80年代,随着现代技术和空间技术的发展,不断证实了地震前兆现象是确实存在的。虽然困难重重,但地震预测最终是能够实现的(李四光,1966;马宗晋,1974;陈运泰,2008)。对于地震的监测预报工作,前人做出了大量开拓工作,同时也积累了宝贵的知识与经验。随着地震活动性的逐渐增强,地震台站的监测密度远远达不到需求,大面积的区域仍处于空白的监测状态,因此地震监测卫星技术成为目前研究的重点。地震电磁信号是敏感的观测参量,并且在扰动信号最易获取与提取的电离层中,观测到了明显的地震前兆(Pulinets,1998;Liu et al,2000;Zhang et al,2010)。电离层是指在70-1000km高度上大气发生部分电离的区域,位于未电离的大气层与完全电离的磁层之间。做为近地空间环境的重要构成部分,电离层是地球各圈层耦合的中心环节,对于大量的电磁现象反映敏感,是研究与认识日地空间环境的重要的区域。利用卫星观测技术,研究发现与地震有关的空间电磁异常现象包括地震电离层电磁异常辐射、等离子体密度扰动、高能粒子沉降等。由于地震孕育期间岩石应力积累会造成电磁场的局部变化,做为异常反应较为明显的参量,地震电离层电磁辐射现象受到人们的广泛关注。虽然地震电磁辐射涉及很宽的频段,但低频段的反应最为敏感,得到了重点分析。在地震电离层异常提取技术上,前人提出了多种算法(Molchanov et al,2006;Němec et al,2008;泽仁志玛等,2012),并对电离层中各参量进行了研究,并取得了大量的统计结果,但在多参量的对比分析以及地震电磁波特性的分析方面尚有欠缺。本文基于前人的研究进展,利用背景场方法构建地震电离层区域稳定的电磁场观测模型,分别计算了地震期间震中上空磁场与电场的变化特征,提取了异常电磁辐射,并对异常电磁波进行了波矢分析得出电磁波特性,期望对地震电离层电磁异常和地震电磁波传播机理的研究提供实例支撑。本文利用DEMETER卫星观测到的电磁场数据,统计分析了2005—2009年全球45次MS≥7.0强震前后空间电磁场的时空演化特征。在震中上空±10°范围内,使用震前90天至震后30天的5年同期观测到的电磁场极低频/甚低频(370-897Hz)功率谱密度数据构建了稳定的背景场观测模型,提取了震中上空的空间电磁场相对于背景场的扰度幅度,并统计分析了强震前后空间电磁场的时空演化特征。同时选取了震前异常明显且数据丰富的一次地震事件,提取其异常电磁辐射出现的具体时间与位置,结合SVD方法对个别信号进行波矢量分析,探索异常电磁波的产生原因及其与地震的关联性,目前得到的主要结论如下:(1)对于45次MS≥7.0的强震,35次强震在地震发生前后变化磁场最大扰动幅度超过2.2倍标准差,39次强震的电场最大扰动幅度超过2倍标准差,磁场、电场与电磁场出现异常扰动的概率分别为78%、87%和60%;同时最大的电磁扰动主要出现在震中±4°—±10°范围内,与震中有一定的偏差。(2)对于出现异常的地震,震中上空的电磁场扰动幅度时序变化表现为3种不同类型的扰动特征,其最大的异常扰动分别出现在震前30—15天、震前15天内和震后15天内,且震前出现电磁异常的强震震中位置的分布特征与纬度存在一定关联。地震期间电场的最大扰动幅度与震级存在正比关系,当震级超过8.0级时,这种关系会消失;(3)而随机选择的非震区上空空间电磁场的扰动幅度则比较弱,呈现出异常扰动的随机事件概率相对于地震事件概率低,说明出现的异常电磁扰动可能受地震影响。(4)2005年日本宫城地震前一个月内出现异常电磁辐射,并在震前2天震中上空附近发生磁场与电场的同步增强现象,根据波矢分析结果,我们得知异常的电磁波出现于当地的质子回旋频率之下,表现出了明显的右旋极化特征,产生于地球方向沿当地磁子午面传播,并继续向赤道方向传播,根据异常电磁波出现的位置与来源方向,判断其可能由地震产生。
【学位授予单位】:中国地震局地震预测研究所
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:P315.728

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